JP2017203668A - 押込試験装置および押込試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モノのやわらかさを高精度に測れる小型、軽量な押込試験方法および押込試験装置を提供することを目的とする。
【解決手段】試料に圧子を押込む押込試験装置において、試料に押し当てられる押し当て面を有する筐体と、押し当て面から予め定められた量だけ突出して配置され、試料に押し込まれる圧子と、筐体と圧子との間に設置され、圧子に作用する、少なくとも押し込み方向に平行な力を測定するロードセルと、ロードセルで測定した、押し当て面と試料が接触したときに圧子に作用する力に基づいて、試料のヤング率を算出して表示するヤング率表示部とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被試験物のやわらかさを測定する新規な押込試験方法に関する。また、本発明は、前記の押込試験方法を用いる、新規な押込試験装置に関する。

金属材料の変形などの弾性的な特性を調べるため用いられる引張試験は、客観性を有する評価方法として一般的であるが、試料などから試験片を切り出して評価する必要性がある。この侵襲性の高さから、やわらかな製品であるため切り出すことができない素材や生きたままの生体組織への適用が困難である。

一方、同様に材料の硬さ計測で一般に使用されている押込試験は、試験片を切り出す必要がないことからやわらかな素材や生体組織であっても低侵襲計測が可能となる。この押込試験はＨｅｒｔｚの弾性接触理論に基づいて構成されており、金属材料に対しては高い信頼性を持って計測できる事が知られている(例えば、非特許文献１参照)。

図１は、一般的な押込試験の模式図である。上述したＨｅｒｔｚの弾性接触理論では、球圧子１を計測試料２に押し込んだときの押込量をδとすれば、球圧子１に作用する力Ｆがポアソン比νおよび球圧子の直径φを用いて次式で表される。

また、生体軟組織のような大変形を伴う軟材料の構成関係の計測でも、上述した押込試験によるＨｅｒｔｚの弾性接触理論に基づく計測が高信頼性で行えるということが沢俊行によって示されている。また、同様の押込試験は生体軟組織のような大変形を伴う軟材料の構成関係の計測に使用される例が示されている(例えば、非特許文献２〜５参照)。なお、本願発明者も関連する技術内容を開示している（例えば、非特許文献６〜９参照、特許文献１参照）。しかしながら、簡単な構造で、小型・軽量、しかも低コストな押込試験装置の実現はなされていない。

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特許第4967181号

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、簡単で小型、軽量、しかも安価な新規な押込試験方法を提供することを目的とする。また、本発明は、前記の押込試験方法を用いる、新規な押込試験装置を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様においては、試料に圧子を押込む押込試験装置において、試料に押し当てられる押し当て面を有する筐体と、押し当て面から予め定められた量だけ突出して配置され、試料に押し込まれる圧子と、前記筐体と前記圧子との間に設置され、前記圧子に作用する、少なくとも押し込み方向に平行な力を測定するロードセルと、前記ロードセルで測定した、前記押し当て面と前記試料が接触した時に前記圧子に作用する力に基づいて、試料のヤング率を算出して表示するヤング率表示部とを有する。

本発明の第二の態様においては、試料に圧子を押込む押込試験方法において、筐体の押し当て面が試料に接するまで、押し当て面から予め定められた量だけ突出した圧子を試料に押し込み、筐体と前記圧子との間に設置されたロードセルで、圧子に作用する、少なくとも押し込み方向に平行な力を測定し、ロードセルで測定した、押し当て面と試料が接触した時に前記圧子に作用する力に基づいて、試料のヤング率を算出する。

本発明によれば、モノのやわらかさを装置の向きによらず高精度に測ることを可能にした小型、軽量な新規な押込試験方法および押込試験装置を提供することができる。

押込みユニットの模式図である。 押込みユニット１０の模式図である。 押込試験装置２０の外観の斜視図である。 押込みユニット１０とヤング率表示部２１とを分離して信号線で接続した押込試験装置３０の外観の斜視図である。 押込みユニット１０とヤング率表示部２１とを分離して無線で接続した押込試験装置４０の外観の斜視図である。 押込みユニット１０とヤング率表示部２１とを分離して、ヤング率表示部としてPCあるいはタブレットを用いた押込試験装置５０の外観の斜視図である。 測定する試料が薄い場合における押込みの模式図である。 係数Ｂを求めるための押込みユニット７０の模式図である。 ２軸感度のロードセルを用いて、試料との加圧力と試料との接触面を移動させた際に生じる摩擦力の２つの力ＦｚとＦｘを測定する押込みユニット８０の模式図である。 図９に示した押込みと移動によって測定できる力ＦｚとＦｘの変化を表わした模式図である。 ３次元形状を有する試料との押込みユニットとの接触面を移動させながら測る状態の模式図である。 圧子１の突出量δを変化させることができる押込試験装置１００の模式図である。 表面の摩擦係数が場所によって異なる試料１１を計測した場合を説明する概念図である。 表面の摩擦係数は均一であるが、厚みが小さい領域を有する試料１２を計測した場合を説明する概念図である。

以下、押込試験方法および押込試験装置にかかる発明を実施するための形態について説明する。

押込試験装置は、試料に圧子を押込む押込試験装置において、圧子に設置されたロードセルにより押込みによる力を検出し、押込み力からＨｅｒｔｚの弾性接触理論に基づいて試料のヤング率を測定する装置である。押込試験方法は、試料に圧子を押込む押込試験方法において、押込試験装置に設置された圧子が試料へ押し込まれた際に、圧子に作用する力をロードセルにより検出し、Ｈｅｒｔｚの弾性接触理論に基づいて試料のヤング率を算出する方法である。

図２は、押込みユニット１０の模式図である。以下の説明において同様の機能を有するものは同じ番号で記載する。押込みユニット１０は、筐体（またはケースともいう）４を有し、この筐体４にロードセル３を介して圧子１が固定されている。圧子１は、筐体４を試料２へ押し当てると試料へ押し込まれるように、押し当て面５より予め定められた量δだけ突き出た状態となっている。また筐体４と圧子１との間に配されたロードセル３は、圧子１に作用する、少なくとも押し込み方向に平行な力を測定して出力する。なお、筐体４の試料への押し当て面５は、平面でも良いし、試料の表面性状に合せた曲率を有する曲面でも良い。またロードセル３は、ひずみゲージ式でも良いし、他の形式のロードセルでもよい。試料２に対して十分に硬い球圧子を押込むとき、Ｈｅｒｔｚの弾性接触理論を用いると、図２に示す押込荷重Ｆと試料のヤング率Ｅの関係が以下のように表現される。

図３は、押込試験装置２０の外観の斜視図である。押込試験装置２０は、押込みユニット１０と、上式（数２）を使用してヤング率Ｅを算出して表示するヤング率表示部２１と、ヤング率算出部の計算に用いられたポアソン比νを予め印刷等で表示したポアソン比表示部２２とを有する。押込試験装置２０は、全体として手のひらに収まる程度の大きさである。つまり、簡単で小型、軽量、しかも安価な押込試験装置である。また押込試験装置２０は棒状の長い形態でも良く、ヤング率表示部２１はこの棒に埋め込まれた形態でも良い。

押込試験装置２０において、ヤング率表示部２１は、予めデータとして与えられた圧子の直径φ、試料２のポアソン比ν、および、押し当て面５からの圧子１の突出量をδに基づいて、ロードセル３で測定された圧子１に作用する力Ｆの値を上記数式２に代入することにより、試料２のヤング率Ｅを算出し、表示する。押込試験装置２０は当該ヤング率Ｅをデータとして外部に出力してもよい。

押込試験装置２０において、押し当て面５を試料２に押し当てたまま相対的に移動させることにより、試料２における各点のヤング率Ｅを連続的に算出することができる。また、押込み量δが予め定められた圧子１が受ける反力をロードセル３から直接的に取得することができるので、バネを用いた場合のように押込み量δが変化することはないので、ヤング率Ｅの測定の精度を向上させることができる。

また、ポアソン比ごとに押込試験装置２０を複数台用意しておき、試料２のポアソン比に応じて押込試験装置２０を使い分けてもよい。これに代えて、押込試験装置２０がテンキーなどの入力部を有し、ポアソン比をユーザが入力できるようになっていてもよい。その場合には、上記ポアソン比表示部２２は印刷等の固定された表示に代えて、ヤング率表示部２１と同様に任意の数字が表示できるようにしておくことが好ましい。

図４、図５および６は、その他の押込試験装置３０、４０、５０の外観の斜視図である。図４の押込試験装置３０は、押込みユニット１０とヤング率表示部２１とを分離して信号線３１で接続したタイプであり、図５は押込みユニット１０とヤング率表示部２１とを分離して無線でワイヤレス接続したタイプの押込試験装置４０、さらに図６は押込みユニット１０とヤング率表示機能とを分離して、ヤング率表示部としてＰＣ５１あるいはタブレット等の機器を用いたタイプの押込試験装置５０である。

図７に示すヤング率Ｅを測定する試料６２が薄い場合、数式１で示されるＨｅｒｔｚの弾性接触理論による計算式を精度良く適用できなくなる。この場合、特許文献１記載の薄さ係数Ｂを含んだ荷重Ｆに関する次式を考える。つまり、次式の適用により、押込荷重Ｆと減少したストローク量δとの関係を精度良く表現することができる。

ここでＢは、試料の薄さが圧子１への押込荷重Ｆへ与える影響を表す係数であり、厚みの薄い試料でも、押込荷重Ｆと減少したストローク量δとの測定結果より押込荷重Ｆへの影響を表す係数Ｂを求めることにより、図２に示した測定と同様にヤング率Ｅを求めることができる。

図８は、係数Ｂとヤング率Ｅとを同時に求めることができる押込試験装置７０の模式図である。押込試験装置７０は、圧子７１および当該圧子７１に連結されたロードセル７５、並びに、圧子７２および当該圧子７２に連結されたロードセル７２を有する。それ以外の構成は押込試験装置３０と同一である。

２つの圧子７１、７２は筐体７３の押し付け面７４からの突出量がそれぞれδ1、δ2と異なるように構成されている。係数Ｂは未知数であるが、押し付け面７４を測定試料７７に接触するように圧子７１、７２で試料７７を押し付けた時にロードセル７５、７６で２つの突出量δ1、δ2の圧子が受ける２つの力Ｆ１、Ｆ２を求め、上記数３に代入することにより未知数である係数Ｂを求めることができる。未知数が係数Ｂおよびヤング率Ｅの２つに対して、等式２つを連立して解くことにより、係数Ｂおよびヤング率Ｅを同時に算出することができる。また示した圧子を並べた形態では、ヤング率の分布を求められる利点もある。

なお、図８では筐体からの突出量が異なる２つの圧子を並べた形態を示したが、１つの圧子の突出量を変化させる形態でも良い。図１２は圧子１の突出量δを変化させることができる押込試験装置１００の模式図である。押込試験装置１００は、ロードセル３が複数のラチェット歯１０８に固定されている。筐体４には支点１０４の周りに回動するラチェット爪１０２が設けられている。ラチェット爪１０２はバネ１０６の付勢力によりラチェット歯１０８に向けて付勢されている。

ラチェット歯１０８とラチェット爪１０２の噛み合い位置により、異なる突出量δ１、δ２等に圧子１を設定することができる。この場合には、ロードセル３が１つで安価にできるという利点がある。

複数の突出量δと押し込み力Ｆとを用いて等式を連立して解くことに代えて、試料２の厚みと係数Ｂとの関係を定式化して表示部２１のメモリに格納しておき、ユーザが試料２の厚みの値を入力できるようにしてもよい。この場合に、ユーザが入力することに代えて、押込試験装置３０等に厚みを計測するセンサーを設けて、当該センサーで計測した厚みの値が入力されるようになっていてもよい。

また、装置の圧子を試料へ押し込んだ際に生じる押し付け方向の反力を求めてヤング率Ｅを測定する方法と装置を示したが、当該装置では圧子がロードセルを介して筐体に固定されていることから縦横２方向ともに安定した姿勢を保持できるので、押し込んだ際に生じる押し付け方向の反力（すなわち、押し付け力）に加えて、装置の圧子を試料に押し込んだまま接触面を移動させた際に生じる力（すなわち、見かけの摩擦力）をロードセルで測定することもできる。

図９は、押込み方向およびそれに直交する方向の２軸に感度を有するロードセル８３を用いて、圧子１を試料２へ押し込んだ際に生じる反力Ｆｚと試料との接触面を移動させた際に生じる力Ｆｘの２つの力を測定する押込みユニット８０の模式図である。最初に（１）押込みユニット８３の試料への押込みによって圧子１に生じる力Ｆｚを測定し、さらに（２）押込試験装置を試料に対して移送（移動）した時に生じる力Ｆｘを測定する状態を示している。

図１０は、図９に示した押込みと移動によって測定できる力である押込み力Ｆｚと摩擦力Ｆｘの変化を表わした模式図である。まず、（１）押込みユニット８０を試料２へ押し込んだ状態では押込み力Ｆｚのみが測定できるが、（２）押込みユニット８０を試料２に対して移動させる瞬間には静摩擦力Ｆｆｓが発生し、押込みユニット８０の移動中は動摩擦力Ｆｆｄを測定することができる。

この図９、図１０に示す測定によって、試料のヤング率Ｅに加えて、式４および式５によって、見かけの静摩擦係数μsおよび見かけの動摩擦係数μdを求めることができる。ここで「見かけの」とは、図９に示す移動において試料２の圧縮による力がＦｘに重畳されていることを考慮したものである。これらの見かけの摩擦係数は、ユーザが実際に感じる手触りにより近いという利点がある。

なおここでは２軸感度を持つロードセルを例として示したが、これは３軸感度を有するロードセルを用いても良い。３軸感度ロードセルを用いると、装置と試料との接触面の方向に関わらず見かけの静摩擦係数μsおよび見かけの動摩擦係数μdを求めることができる利点がある。また移動量を測るセンサーを併用すると、ヤング率の分布に加えて、これら摩擦係数の分布を求められるといる利点がある。

図１１は、押込みユニット９０と３次元形状を有する試料９２との接触面を移動させながら加圧力と摩擦力を測る状態の模式図である。ここでの装置は、圧子９１が押込みユニット９０にロードセル（図に記載せず）を介して固定されていることから、圧子９１とバネ結合した従来の装置の時のように、押込みユニット９０の向きによって圧子（プローブ）の傾きが変化したことによる重力の影響によりを考慮しなくて良いため、３次元形状を有する試料との接触面を向きを変えながら測ることも高精度、高速に実施することができる。なお、上記の移動量を測るセンサーに加えて傾きセンサーを併用すると測定精度が向上する。

図１３は表面の摩擦係数が場所によって異なる試料１１を計測した場合を説明する概念図である。試料１１のヤング率Ｅが全体で均一であると、図に示すようにＦｚは一定値をとる。これに対し、摩擦係数が他の領域のμ０よりも高いμ１となる領域があると、Ｆｘの出力に対応して、見かけの動摩擦係数Ｆｆｄが高くなる領域が検出される。

図１４は表面の摩擦係数は均一であるが、厚みが小さい領域を有する試料１２を計測した場合を説明する概念図である。厚みが小さい部分では、ヤング率Ｅが見かけ上高くなることに対応して、Ｆｚの値が大きくなる。さらに、厚みが小さい領域では試料１２の圧縮に対する力も大きくなるので、見かけの動摩擦係数Ｆｆｄも高くなる。よって、ＦｚとＦｆｄの組み合わせにより、図１３の状態と図１４の状態とを区別することができる。

なお、上記押込試験方法および押込試験装置の対象となる試料としては、ポリウレタン、シリコーンゴム、ポリオレフィンゴム、天然ゴム、軟質ビニールを含む高分子材料、皮膚や筋肉を含む生体組織、ゼリーやゼラチンを含む食品などを採用することができる。

試料のヤング率Ｅは１００Ｐａ〜１００ＭＰａの範囲内にあることが好ましい。試料のヤング率Ｅが１００Ｐａ以下であると、試料が押込みに伴って崩れたり破壊したりする場合があるが、試料のヤング率Ｅが１００Ｐａ以上であると、試料が押込みに伴って崩れたり破壊したりしないという利点がある。試料のヤング率Ｅが１００ＭＰａ以下であると、軟らかめの圧子材料も利用でき圧子材料の選択肢が多くなるという利点がある。

ここで、球圧子の材質としては、金属および／あるいは樹脂材料などを採用することができる。球圧子は交換可能であってもよい。また、試料２が非常に柔らかい場合には、軟らかい球圧子を用いてもよい。

球圧子の直径は1×10^-8 〜1 mの範囲内にあることが好ましい。試料の厚さが球圧子の直径より大きいと、高精度な結果を得られるという利点がある。

球圧子の押込みは、手動もしくは自動制御で行うことができる。球圧子の押込みが手動であると、計測機が安価に開発できるという利点がある。球圧子の押込みが自動制御であると、計測精度が安定するという利点がある。

球圧子の押込み試験の結果は、デジタル処理する機能によってデジタル表示できることができる。球圧子の押込み試験の結果がデジタル表示であると、結果の数値データが判別し易いという利点がある。また球圧子の押込み試験の結果をデジタル処理できる機能を有すると、計測結果をコンピューターで処理し易いという利点がある。

球圧子の押込み速度は０．００００１〜１０ｍ／ｓの範囲内にあることが好ましい。球圧子の押込み速度が０．００００１ｍ／ｓ以上であると、計測に時間がかからないという利点がある。球圧子の押込み速度が１０ｍ／ｓ以下であると、装置を安全に稼働できるという利点がある。

球圧子直径に対する球圧子押込量の比率は１以下であることが好ましい。比率が１以下であると、圧子の埋没を考慮しなくてよいという利点がある。

球圧子と試料の接触面での粘着を低減する方法としては、試料接触面にタルク粉を塗布する方法、油を塗布する方法などを採用することができる。なお、球圧子と試料の接触面での粘着性が小さい場合は、これらの処理を省略することができる。

なお、圧子の形状としては球圧子について説明したが、これに限定されるものではない。このほか圧子の形状としては、円柱、円筒、および立方体などの形状を採用することができる。

また圧子には、これが固定されていることから、光学系センサー、温度センサーを兼ね備えたものを用いても良い。光学系センサーを用いると、表面粗さなどの試料の表面性状等を併せて測定できる利点がある。光学系センサーの例はＣＭＯＳなどのイメージセンサーである。温度センサーを用いると、試料の熱特性を併せて測定できる利点がある。これに代えて、圧子とは別に光学系センサーおよび温度センサーを設けてもよい。

上記押込試験方法および押込試験装置では、試料厚さの同定を行っている。試料厚さを同定する利点としては、ヒトの診療に際して求められる非侵襲性を満足しつつ皮膚や筋肉などの状態を計測できることなどを挙げることができる。

いずれの実施形態においても、押し当て面５に接触センサーを配してもよい。この場合に当該接触センサーの出力に基づいて、押し当て面５が試料２に接したことをユーザに知らせてもよいし、ヤング率表示部２１等がヤング率Ｅを算出するときの押込量δを確定してもよい。

なお、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１ 圧子、２ 試料、３ ロードセル、４ 筐体、５ 押し当て面、１０ 押込みユニット、２０ 押込試験装置、２１ ヤング率表示部、２２ ポアソン比表示部、３０ 押込試験装置、３１ 信号線、４０ 押込試験装置、５０ 押込試験装置、５１ ＰＣ、６２ 試料、７１、７２ 圧子、７３ 筐体、７４ 押し付け面、７５、７６ ロードセル、７７ 測定試料、８０ 押込みユニット、８３ ２軸感度ロードセル、９０ 押込みユニット、９１ 圧子、９２ 試料

Claims (14)

1. 試料に圧子を押込む押込試験装置において、
   前記試料に押し当てられる押し当て面を有する筐体と、
   前記押し当て面から予め定められた量だけ突出して配置され、前記試料に押し込まれる圧子と、
   前記筐体と前記圧子との間に設置され、前記圧子に作用する、少なくとも押し込み方向に平行な力を測定するロードセルと、
   前記ロードセルで測定した、前記押し当て面と前記試料が接触した時に前記圧子に作用する力に基づいて、前記試料のヤング率を算出して表示するヤング率表示部と
   を有する押込試験装置。
2. 前記圧子は、少なくとも前記試料との接触部が球状である球圧子であることを特徴とする請求項１に記載の押込試験装置。
3. 前記球圧子の直径をφ、前記試料のポアソン比をν、前記押し当て面からの前記球圧子の突出量をδとした時、前記ヤング率表示部は、前記ロードセルによる前記圧子に作用する力Ｆの測定から、下式を使用して、
   前記試料のヤング率Ｅを算出することを特徴とする請求項２に記載の押込試験装置。
   

   
4. 前記ヤング率表示部は、前記球圧子の直径をφ、前記試料のポアソン比をνとし、異なる突出量δに対して前記ロードセルで測定された力Ｆの複数の測定値に基づいて、下式を使用して、薄さ係数をＢと、材料の厚みを考慮した前記試料のヤング率Ｅを算出することを特徴とする請求項２に記載の押込試験装置。
   

   
5. 前記ロードセルは、前記押し込みに直交する方向の力も測定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の押込試験装置。
6. 前記ヤング率表示部は、さらに、前記押し当て面を前記試料に押し当てたまま相対的に移動した時の、前記試料のヤング率Ｅと押込方向と移動方向との力の比から見かけの摩擦係数を算出して表示することを特徴とする請求項５に記載の押込試験装置。
7. 傾きセンサーをさらに有し、
   前記ヤング率表示部は、３次元形状を有する試料の表面を移動しながら測定された前記ロードセルの力Ｆと前記傾きセンサーからの傾きに基づいて、前記試料の形状と前記試料のヤング率Ｅを算出することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の押込試験装置。
8. 試料に圧子を押込む押込試験方法において、
   筐体の押し当て面が前記試料に接するまで、前記押し当て面から予め定められた量だけ突出した前記圧子を前記試料に押し込み、
   前記筐体と前記圧子との間に設置されたロードセルで、前記圧子に作用する、少なくとも押し込み方向に平行な力を測定し、
   前記ロードセルで測定した、前記押し当て面と前記試料が接触した時に前記圧子に作用する力に基づいて、前記試料のヤング率を算出する
   押込試験方法。
9. 前記圧子は、少なくとも前記試料との接触部が球状である球圧子であることを特徴とする請求項８に記載の押込試験方法。
10. 前記球圧子の直径をφ、前記試料のポアソン比をν、前記球圧子の突出量をδとした時、前記球圧子を前記突出量δだけ前記試料に押し込んだ時に前記圧子に作用する力Ｆの測定から、下式を使用して、
    前記試料のヤング率Ｅを算出することを特徴とする請求項９に記載の押込試験方法。
    

    
11. 前記球圧子の直径をφ、前記試料のポアソン比をνとし、異なる突出量δに対して前記ロードセルで測定された力Ｆの複数の測定値に基づいて、下式を使用して、薄さ係数をＢと、材料の厚みを考慮した前記試料のヤング率Ｅを算出することを特徴とする請求項９に記載の押込試験方法。
    

    
12. 前記ロードセルは、前記押し込みに直交する方向の力も測定することを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の押込試験方法。
13. 前記押し当て面を前記試料に押し当てたまま相対的に移動した時の、前記試料のヤング率Ｅと押込方向と移動方向との力の比から見かけの摩擦係数を算出することを特徴とする請求項１２に記載の押込試験方法。
14. ３次元形状を有する試料の表面を移動しながら測定された前記ロードセルの力Ｆと前記傾きセンサーからの傾きに基づいて、前記試料の形状と前記試料のヤング率Ｅを計測することを特徴とする請求項８に記載の押込試験方法。

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